CN111985112B - 一种基于Unity3D的高炉数字孪生*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，包括有场景漫游模块、作业场景定位模块、视频监控模块、安全报警反馈模块、自检反馈模块、数据孪生模块、数据诊断模块和数据可视化模块，数据孪生模块，用于对高炉监控设备返回的数据进行智能处理、全域感知、运行监测，并整合历史积累数据进行运算，并通过三维空间将数据进行可视化处理；该***通过建立钢厂虚拟环境模型，便于用户概览钢厂全景结构，实现钢厂虚拟环境漫游；建立高精度高炉本体三维模型，利用三维可视化技术还原高炉本体运行工艺流程，实现用户通过虚拟环境可视化观测到高炉本体的运行效果，保障高炉安全稳定运行。

Description

一种基于Unity3D的高炉数字孪生***

技术领域

本发明涉及三维可视化技术领域，尤其是涉及一种基于Unity3D的高炉数字孪生***。

背景技术

目前在钢铁公司高炉作业实际场景中，操作人员对物理实体的了解观察存在局限性，由于很多现场物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而导致无法完成的操作，理论上只要能够测量，就能够改善，这是工业领域不变的真理。无论是设计、制造还是服务，都需要精确的测量物理实体的各种属性、参数和运行状态，以实现精准的分析和优化。但是传统的测量方法，必须依赖于价格不菲的物理测量工具，如传感器、采集***、检测***等，才能够得到有效的测量结果，而这无疑会限制测量覆盖的范围，对于很多无法直接采集到测量值的指标，往往无能为力。

现有的产品生命周期管理，很少能够实现精准的预测，因此往往无法对隐藏在表象下的问题提前进行预判。在传统的工业设计、制造和服务领域，经验往往是一种模糊而很难把握的形态，很难将其作为精准判决的依据。

发明内容

本发明的目的就是针对上述情况，提供一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，该***通过建立钢厂虚拟环境模型，便于用户概览钢厂全景结构，实现钢厂虚拟环境漫游；建立高精度高炉本体三维模型，利用三维可视化技术还原高炉本体运行工艺流程，实现用户通过虚拟环境可视化观测到高炉本体的运行效果，保障高炉安全稳定运行。

本发明的具体方案是：一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，包括有场景漫游模块、作业场景定位模块、视频监控模块、安全报警反馈模块、自检反馈模块和数据孪生模块，其中：

所述场景漫游模块：用于用户通过鼠标、键盘对视点、视角进行控制，并在三维场景中进行漫游；

所述作业场景定位模块：用于场景的输入输出，场景的输入输出是通过选择器来实现，所述选择器还负责对场景的分类，把不同的场景中的每一片区域进行分类，然后按照分类的不同分别载入；

所述视频监控模块：用于安全技术防范体系建设，通过遥控摄像机及其辅助设备直接观看被监控场地的所有情况，通过视频监控功能，实时对比观察高炉附近区域设备的情况，并对异常信息进行预警处理；

所述安全报警反馈模块：用于对报警信息的可视化展示及反馈；

所述自检反馈模块：用于对高炉上料、布料、炉内冶炼、出铁、煤气除尘、送风和喷煤各项业务流程进行检修后将当前设备数据存储至数据库，并将数据以三维的形式进行展示；

所述数据孪生模块：用于对高炉监控设备返回的数据进行智能处理、全域感知、运行监测，并整合历史积累数据进行运算。其包括有数据诊断、异常数据模拟和数据可视化，其中：所述数据诊断是用于对***或第三方提供的数据进行诊断、分析，在对数据库提供的数据进行初步分析、检测异常数据时同步在屏幕指定区域动态播报；所述异常数据模拟，用于对异常数据进行分析、采样、模拟，预警可能发生的异常处，***根据历史数据规律对当前异常数据进行诊断，当有几种异常符合历史规律会对异常处进行警报处理，并通过模型、特效动态显示；所述数据可视化：用于虚实之间双向映射、动态交互、实时数据连接，并通过三维空间中的模型、特效根据实时数据进行展示，其具体是借助于图形化手段，传达数据需要展示的信息，通过几何的技术、面向像素技术、基于图标的技术、基于层次的技术、基于图像的技术和分布式技术等来动态的将数据库数据以三维可视化的形式展示出来，高炉的数据孪生模块通过数据库数据，增加模型动画、特效动画、粒子特效、物理动画、智能数据识别结合的方式完成。

进一步的，本发明中所述场景漫游模块包括手动漫游和自动漫游，其中：所述手动漫游，用于操作人员在三维立体空间对高炉区域的工作境况进行查看；所述自动漫游，用于操作人员设置的固定路径对高炉上料、布料、炉内冶炼、出铁、煤气除尘、送风、喷煤各项作业区域进行循环漫游。

进一步的，本发明中所述场景定位模块，包括高炉全景定位、上料***定位、炉顶***定位、高炉本体定位、渣铁***定位、送风***定位、煤气除尘***定位，其中：

所述高炉全景定位，用于概览整个高炉生产周期的冶炼过程，以达到监控及巡检的目的；

所述上料***定位，用于跟踪每批料的料批号、物料名称、颜色、价格信息，同时在虚拟场景中可视化的展示出来每批料的上料到下料的工艺过程；

所述炉顶***定位，用于展现每批料从皮带运载到炉顶后阀门的运载情况、下料的过程、罐子的各项数据展示；

所述高炉本体定位，用于展示以高炉本体为核心的炉内冶炼流程，由炉内冶炼区域分布、风口区域、炉内实时数据和炉况评分组成；

所述渣铁***定位，用于展示冶炼完毕后的炉渣以及铁水进行装载的流程，后续通过其他工艺流程进行再次冶炼，将高炉周边的渣铁口以及渣铁实时数据进行展示；

所述送风***定位，用于热风炉状态、热风炉数据、煤气流向展示，及鼓风机的冷风和氧气管道的氧气经过放风阀送到热风炉加热产生热风，送往高炉风口，同时所产生的煤气进行循环利用的工艺流程；

所述煤气除尘***定位，用于展现除尘器对能源的高效回收，煤气的流向以及煤气管道中的数据、模拟现场重力除尘器对煤气的过滤情况。

进一步的，本发明中所述视频监控模块包括区域分布查询和定点区域查询，其中：

所述区域分布查询，用于查询监控区域范围；

所述定点区域查询，用于***通过设备直接观看被监控场地的所有情况，通过视频监控功能，可以实时对比观察高炉附近区域设备的情况。

进一步的，本发明中所述安全报警反馈模块包括高炉状态监控和故障反馈处理，其中：

所述高炉状态监控，用于从数据库接入L3级别数据，根据采集高炉附近监控设备返回的数据信息通过数据孪生，对数据进行处理后通过三维可视化显示出来；

所述故障反馈处理，用于监控设备接收到故障信息后，***根据数据库对当前故障进行诊断及分析后计算出最优解决方案，通过三维可视化显示出来。

进一步的，本发明中所述自检反馈模块包括当前状态自检和历史状态查询，其中

所述当前状态自检，用于在高炉检修后通过L3级别数据反馈对高炉本体当前状态进行自检并通过二维空间展现；

所述历史状态查询，用于在高炉出现异常后通过数据库对比历史数据后对当前异常进行对比。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

①本发明通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，这极大的加速了操作人员对物理实体的了解，可以让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的操作，如模拟仿真、批量复制、虚拟装配等，成为触手可及的工具，更能激发人们去探索新的途径来优化设计、制造和服务。

②只要能够测量，就能够改善，这是工业领域不变的真理。无论是设计、制造还是服务，都需要精确的测量物理实体的各种属性、参数和运行状态，以实现精准的分析和优化。但是传统的测量方法，必须依赖于价格不菲的物理测量工具，如传感器、采集***、检测***等，才能够得到有效的测量结果，而这无疑会限制测量覆盖的范围，对于很多无法直接采集到测量值的指标，往往无能为力。而本发明***，可以借助于物联网和大数据技术，通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，并借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。

③现有的产品生命周期管理，很少能够实现精准的预测，因此往往无法对隐藏在表象下的问题提前进行预判。而数字孪生可以结合物联网的数据采集、大数据的处理和人工智能的建模分析，实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

④在传统的工业设计、制造和服务领域，经验往往是一种模糊而很难把握的形态，很难将其作为精准判决的依据。而本发明***的一大关键进步，是可以通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并提供了保存、复制、修改和转移的能力。

附图说明

图1是本发明本发明的***结构框图；

图2是本发明实施例中平面上三个点找法线示意图；

图3是本发明实施例中炉况实时数据的动态的曲线图。

实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

参见图1，本发明是一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，包括有场景漫游模块、作业场景定位模块、视频监控模块、安全报警反馈模块、自检反馈模块和数据孪生模块，其中：

所述场景漫游模块：用于用户通过鼠标、键盘对视点、视角进行控制，并在三维场景中进行漫游；

所述作业场景定位模块：用于场景的输入输出，场景的输入输出是通过选择器来实现，所述选择器还负责对场景的分类，把不同的场景中的每一片区域进行分类，然后按照分类的不同分别载入；

所述视频监控模块：用于安全技术防范体系建设，通过遥控摄像机及其辅助设备直接观看被监控场地的所有情况，通过视频监控功能，实时对比观察高炉附近区域设备的情况，并对异常信息进行预警处理；

所述安全报警反馈模块：用于对报警信息的可视化展示及反馈；

所述自检反馈模块：用于对高炉上料、布料、炉内冶炼、出铁、煤气除尘、送风和喷煤各项业务流程进行检修后将当前设备数据存储至数据库，并将数据以三维的形式进行展示；

所述数据孪生模块：用于对高炉监控设备返回的数据进行智能处理、全域感知、运行监测，并整合历史积累数据进行运算。其包括有数据诊断、异常数据模拟和数据可视化，其中：所述数据诊断是用于对***或第三方提供的数据进行诊断、分析，在对数据库提供的数据进行初步分析、检测异常数据时同步在屏幕指定区域动态播报；所述异常数据模拟，用于对异常数据进行分析、采样、模拟，预警可能发生的异常处，***根据历史数据规律对当前异常数据进行诊断，当有几种异常符合历史规律会对异常处进行警报处理，并通过模型、特效动态显示；所述数据可视化：用于虚实之间双向映射、动态交互、实时数据连接，并通过三维空间中的模型、特效根据实时数据进行展示，其具体是借助于图形化手段，传达数据需要展示的信息，通过几何的技术、面向像素技术、基于图标的技术、基于层次的技术、基于图像的技术和分布式技术等来动态的将数据库数据以三维可视化的形式展示出来，高炉的数据孪生模块通过数据库数据，增加模型动画、特效动画、粒子特效、物理动画、智能数据识别结合的方式完成。

上述每个功能模块根据不同的作用又会细分为不同的操作界面，操作界面包含高炉数字孪生数据来源以及高炉数据说明，动态可视化的展示高炉运作期间各工作区域的数据峰值以及生产情况，***界面提供的功能模块是高炉数字孪生***提供的在客户端的具体展现。

进一步的，本实施例中所述场景漫游模块包括手动漫游和自动漫游，其中：所述手动漫游，用于操作人员在三维立体空间对高炉区域的工作境况进行查看；所述自动漫游，用于操作人员设置的固定路径对高炉上料、布料、炉内冶炼、出铁、煤气除尘、送风、喷煤各项作业区域进行循环漫游。

所述自动漫游，用于用户真实的了解高炉的构建过程，首先构建高炉厂房、高炉本体及周边三维实体模型，并对钢厂虚拟场景内天空、雾等效果进行模拟以增加场景的真实度；在此基础上结合三维漫游技术、碰撞检测技术及对实时阴影和虚拟环境等的处理，实现对场景深度的仿真，提高场景的真实度。

所述手动漫游，用于用户沉浸自主式的以第一人称视角在高炉区域进行漫游、查看，了解高炉生产工艺，同时面对突发情况起到一定的预警作用。

进一步的，本实施例中所述场景定位模块，包括高炉全景定位、上料***定位、炉顶***定位、高炉本体定位、渣铁***定位、送风***定位、煤气除尘***定位，其中：

所述高炉全景定位，用于用户概览全局，基于高炉区域的地理信息，左侧为操作导航区，包括全景视角、高炉场景、视频监控的导航菜单；上方为信息发布区，下方为高炉实时参数趋势区；设计理念基于运营管制中心、操业集控中心、高炉现场三者的结合。

所述上料***定位，用于用户了解整个上料流程，基于上料区域的地理信息，屏幕正中心为物料上料区域，主皮带的下方显示当前设备的运转情况，物料的上料以及设备的运转情况根据HttpWebRequest请求后台数据，根据数据返回的信息后，通过Animator动画控制器判断当前播放的动画片段以实现物料上料的过程，在货物上料过程中会有移动标签跟随物料进行运动，此标签显示当前物料的基本信息。

所述炉顶***定位，用于上料的定位跟踪，用户正中心为炉顶处理料的区域，主皮带将每批料运载到炉顶后 HttpWebRequest请求后台数据根据后台数据控制上密阀、料流阀、下密阀、是否下料及料罐的虚拟数据展示，同时利用Particle System粒子***以及Rigidbody组件模拟物料下料的特效，在Unity中法向量（向量垂直于平面）在生成mesh和路径跟踪时用得很多。给出平面上的3个点，也就是三角网格（mesh triangle）的角上的点，很容易找到法线：用3个点中的任一个点，然后分别用另两个点与之相减，得到两个向量，具体实现如附图2。

所述高炉本体定位，用于显示炉内冶炼区域分布、风口区域、炉内实时数据、炉况评分等组成，让用户能够更直观的了解整个炉内冶炼的过程，屏幕中心区域为高炉整体运转视角，右上角显示高炉当前炉况及评分，下方显示炉况实时数据的曲线图，动态的曲线图能够直观的显示高炉当前的运转情况，具体实现如图3。

所述渣铁***定位，用于显示铁水的排放、流向、装罐的数据，每个渣铁口都有相对应的罐车运载铁水，点击不同的出铁口可查看相对应的铁口渣铁数据，并通过三维模型和特效显示出来，铁水的数据以及铁罐的装载情况都通过三维可视化标签显示在对应的位置。

所述送风***定位，用于显示热风炉状态展示、热风炉数据展示、煤气流向展示等。鼓风机的冷风和氧气管道的氧气，经过放风阀送到热风炉加热产生热风，送往高炉风口，同时所产生的煤气进行循环利用的工艺流程，送风的轨迹通过虚拟动态虚拟标签展示，氧气和煤气通过特效处理，以颜色进行区分，热风炉的风量、炉内温度等数据动态的显示在热风炉上方。

所述煤气除尘***定位，用于煤气除尘***主要展现除尘器对能源的高效回收，煤气的流向以及煤气管道中的数据、模拟现场重力除尘器对煤气的过滤等效果，煤气的整个处理过程均由特效动画与模型动画结合，并通过动态数据展示。

进一步的，本实施例中所述视频监控模块包括区域分布查询和定点区域查询，其中：

所述区域分布，用于划分监控区域、方便用户进行区域查询，通过List对底层监控设备ID进行缓存，并通过用户提供的监控ID账号查询相对应的子流码，通过字典对名字和ID进行对应，同时通过Unity自带的UI***搭建监控模块布局，通过Evensystem事件进行触发视频的调用。

所示定点区域查询，用于用户精准查询某一个监控或者区域的视频，通过用户输入的相关信息对比字典存储的ID进行模糊查询。

进一步的，本实施例中所述安全报警反馈模块包括高炉状态监控和故障反馈处理，其中：

所述高炉状态监控，用于监控整个高炉的运作期间的数据、状态异常，为了在高炉运作期间避免发生不可挽回的损失，从数据库接入L3级别数据，根据采集高炉附近监控设备返回的数据信息进行提示，主界面进行危险信息提示，同时在高炉附近通过UI进行提示。

所述故障反馈处理,用于高炉运作期间通过接入L3级别数据对故障进行级别划分，并通过文字或特效进行提示。

进一步的，本实施例中所述自检反馈模块包括当前状态自检和历史状态查询，其中：

所述当前状态自检，用于确保当前高炉运作期间各项数据指标均达到正常状态，通过用户提供的高炉正常数据对当前高炉各项数据进行对比，通过甄别后将异常指标进行区分，通过指定区域进行展示。

所述历史状态查询，用于用户查询过去时间段高炉运行状态的数据，通过字典将每一个时间段的数据进行存储并进行历史查询。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的专业技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

本发明通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，这极大的加速了操作人员对物理实体的了解，可以让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的操作，如模拟仿真、批量复制、虚拟装配等，成为触手可及的工具，更能激发人们去探索新的途径来优化设计、制造和服务。

只要能够测量，就能够改善，这是工业领域不变的真理。无论是设计、制造还是服务，都需要精确的测量物理实体的各种属性、参数和运行状态，以实现精准的分析和优化。但是传统的测量方法，必须依赖于价格不菲的物理测量工具，如传感器、采集***、检测***等，才能够得到有效的测量结果，而这无疑会限制测量覆盖的范围，对于很多无法直接采集到测量值的指标，往往无能为力。而本发明***，可以借助于物联网和大数据技术，通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，并借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。

现有的产品生命周期管理，很少能够实现精准的预测，因此往往无法对隐藏在表象下的问题提前进行预判。而数字孪生可以结合物联网的数据采集、大数据的处理和人工智能的建模分析，实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

在传统的工业设计、制造和服务领域，经验往往是一种模糊而很难把握的形态，很难将其作为精准判决的依据。而本发明***的一大关键进步，是可以通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并提供了保存、复制、修改和转移的能力。

Claims (6)

1.一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，其特征在于：包括有场景漫游模块、作业场景定位模块、视频监控模块、安全报警反馈模块、自检反馈模块和数据孪生模块其中：

所述场景漫游模块：用于用户通过鼠标、键盘对视点、视角进行控制，并在三维场景中进行漫游；

所述作业场景定位模块：用于场景的输入输出，场景的输入输出是通过选择器来实现，所述选择器还负责对场景的分类，把不同的场景中的每一片区域进行分类，然后按照分类的不同分别载入；

所述视频监控模块：用于安全技术防范体系建设，通过遥控摄像机及其辅助设备直接观看被监控场地的所有情况，通过视频监控功能，实时对比观察高炉附近区域设备的情况，并对异常信息进行预警处理；

所述安全报警反馈模块：用于对报警信息的可视化展示及反馈；

所述自检反馈模块：用于对高炉上料、布料、炉内冶炼、出铁、煤气除尘、送风和喷煤各项业务流程进行检修后将当前设备数据存储至数据库，并将数据以三维的形式进行展示；

所述数据孪生模块：用于对高炉监控设备返回的数据进行智能处理、全域感知、运行监测，并整合历史积累数据进行运算，其包括有数据诊断、异常数据模拟和数据可视化，其中：所述数据诊断是用于对***或第三方提供的数据进行诊断、分析，在对数据库提供的数据进行初步分析、检测异常数据时同步在屏幕指定区域动态播报；所述异常数据模拟，用于对异常数据进行分析、采样、模拟，预警可能发生的异常处，***根据历史数据规律对当前异常数据进行诊断，当有异常符合历史规律会对异常处进行警报处理，并通过模型、特效动态显示；所述数据可视化：用于虚实之间双向映射、动态交互、实时数据连接，并通过三维空间中的模型、特效根据实时数据进行展示，其具体是借助于图形化手段，传达数据需要展示的信息，通过几何的技术、面向像素技术、基于图标的技术、基于层次的技术、基于图像的技术和分布式技术来动态的将数据库数据以三维可视化的形式展示出来，高炉的数据孪生模块通过数据库数据，增加模型动画、特效动画、粒子特效、物理动画、智能数据识别结合的方式完成。

2.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，其特征在于：所述场景漫游模块包括手动漫游和自动漫游，其中：所述手动漫游，用于操作人员在三维立体空间对高炉区域的工作境况进行查看；所述自动漫游，用于操作人员设置的固定路径对高炉上料、布料、炉内冶炼、出铁、煤气除尘、送风、喷煤各项作业区域进行循环漫游。

3.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，其特征在于：所述作业场景定位模块，包括高炉全景定位、上料***定位、炉顶***定位、高炉本体定位、渣铁***定位、送风***定位、煤气除尘***定位，其中：

所述高炉全景定位，用于概览整个高炉生产周期的冶炼过程，以达到监控及巡检的目的；

所述上料***定位，用于跟踪每批料的料批号、物料名称、颜色、价格信息，同时在虚拟场景中可视化的展示出来每批料的上料到下料的工艺过程；

所述炉顶***定位，用于展现每批料从皮带运载到炉顶后阀门的运载情况、下料的过程、罐子的各项数据展示；

所述高炉本体定位，用于展示以高炉本体为核心的炉内冶炼流程，由炉内冶炼区域分布、风口区域、炉内实时数据和炉况评分组成；

所述渣铁***定位，用于展示冶炼完毕后的炉渣以及铁水进行装载的流程，后续通过其他工艺流程进行再次冶炼，将高炉周边的渣铁口以及渣铁实时数据进行展示；

所述送风***定位，用于热风炉状态、热风炉数据、煤气流向展示，及鼓风机的冷风和氧气管道的氧气经过放风阀送到热风炉加热产生热风，送往高炉风口，同时所产生的煤气进行循环利用的工艺流程；

所述煤气除尘***定位，用于展现除尘器对能源的高效回收，煤气的流向以及煤气管道中的数据、模拟现场重力除尘器对煤气的过滤情况。

4.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，其特征在于：所述视频监控模块包括区域分布查询和定点区域查询，其中：

所述区域分布查询，用于查询监控区域范围；

所述定点区域查询，用于***通过设备直接观看被监控场地的所有情况，通过视频监控功能，可以实时对比观察高炉附近区域设备的情况。

5.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，其特征在于：所述安全报警反馈模块包括高炉状态监控和故障反馈处理，其中：

所述高炉状态监控，用于从数据库接入L3级别数据，根据采集高炉附近监控设备返回的数据信息通过数据孪生，对数据进行处理后通过三维可视化显示出来；

所述故障反馈处理，用于监控设备接收到故障信息后，***根据数据库对当前故障进行诊断及分析后计算出最优解决方案，通过三维可视化显示出来。

6.根据权利要求1所述的一种基于Unity3D的高炉数字孪生***，其特征在于：所述自检反馈模块包括当前状态自检和历史状态查询，其中

所述当前状态自检，用于在高炉检修后通过L3级别数据反馈对高炉本体当前状态进行自检并通过二维空间展现；

所述历史状态查询，用于在高炉出现异常后通过数据库对比历史数据后对当前异常进行对比。